米粒状氧化铜化学修饰电极的制备及其对葡萄糖的检测

邓敏, 江奇, 段志虹, 刘青青, 蒋理, 卢晓英



米粒状氧化铜化学修饰电极的制备及其对葡萄糖的检测

邓敏, 江奇, 段志虹, 刘青青, 蒋理, 卢晓英

(西南交通大学 超导与新能源研发中心, 生命科学与工程学院, 材料先进技术教育部重点实验室, 成都 610031)

采用水热合成法与原位分解法相结合, 在不使用软模板和强碱条件下制备得到了米粒状氧化铜(CuO)。将得到的CuO材料与Nafion溶液混合, 制作成化学修饰电极(CME), 开展葡萄糖的无酶检测。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分别对所制备的材料和电极的结构、形貌进行表征、分析。采用线性扫描伏安法、循环伏安法、安培响应和交流阻抗技术对所制备电极进行电化学性能测试。研究结果表明: 所制备的CuO形貌在微观下酷似米粒, 长度为0.5~ 1.0 μm, 直径为250~320 nm。当CuO修饰量为0.35 mg (电极表面积为0.22 cm2)时, 修饰电极对葡萄糖具有较好的电化学检测性能。在0.0357~2.361 mmol/L浓度范围内存在良好的线性关系, 其线性方程为:pa(mA)=-0.00187+0.05239(mmol/L),2=0.998。检出限为 0.0647 μmol/L, 灵敏度为950.36 μA·L/(mmol·cm2), 且具有良好的选择性和可靠性。

米粒状CuO; 化学修饰电极; 葡萄糖; 检测

近年来, 在生物技术、临床诊断和食品工业领域, 快速、灵敏和准确地实现葡萄糖检测已变得十分重要[1-2]。现有电化学检测方法中, 无酶葡萄糖传感器因具有较高的稳定性而受到了极大的关注[3]。许多金属(如Pt、Au、Ni、Cu等)、金属合金(如Pt-Au、Ni-Au、Au-Pd、Cu-Ni、Co-Cu等)和金属氧化物(如Co3O4、NiO、CuO等)都被用于制备无酶葡萄糖传感器。其中, 基于CuO的无酶葡萄糖传感器在葡萄糖氧化过程中表现出优良的电化学活性和合适的表面电荷而备受关注[4-5]。

目前, 在无酶葡萄糖传感器中, CuO的制备方法主要有前驱体固态热转化法[6]、湿化学法[7]和水热法[8]等。其中由于水热法具有产物纯度高、分散性好、晶形可控、成本低等优点, 而被广泛应用于CuO的制备。但水热法制备CuO时工艺复杂, 规模化生产困难, 所用的软模板(如聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇)和强碱(如NH3·H2O, NaOH)又会造成环境污染等问题[9-11]。为解决此问题, 本研究将水热合成法与原位分解法相结合, 在不使用软模板和强碱的条件下, 通过控制反应物的配比、添加顺序和添加速度等来控制铜离子的络合、前驱体的生长与分解, 在环保和简单条件下制备得到了CuO颗粒, 实现了CuO的无模板和无强碱化水热法制备。将所得CuO颗粒与全氟化磺酸酯(Nafion溶液)混合[12-13], 制作成化学修饰电极(Chemically Modified Electrode, CME), 开展对葡萄糖的电化学检测, 表现出良好的选择性和稳定性。

1 实验方法

1.1 CuO的制备

按化学计量比3 : 2, 将1 mol/L的Cu(NO3)2溶液以90 mL/h的速度, 通过恒流泵滴加到1 mol/L的尿素溶液中。滴加完成后, 磁力搅拌20 min, 使溶液混合均匀后移入反应釜中, 130 ℃反应5 h。所得样品经抽滤, 分别用蒸馏水、无水乙醇洗涤, 60 ℃真空下干燥后, 在玛瑙研钵中研磨成粉末。最后在450 ℃下煅烧4 h, 得到CuO粉末。

1.2 CME的制备

将上面所得CuO粉末按10 mg/mL的浓度分散到无水乙醇中, 再加入适量Nafion溶液(CuO:Nafion=10 : 1.3), 超声分散2 h, 得到CuO修饰液。采用可调式移液器量取不同量修饰液(分别含CuO的量为0.05、0.10、0.15、0.25、0.35、0.50和0.70 mg)滴涂于经打磨、抛光处理的石墨电极(= 5.3 mm, 表面积为0.22 cm2, 下同)表面, 分3次滴涂, 每次滴涂后红外干燥5 min, 得到CuO/Nafion- CME。同时按上述相似方法, 制得Nafion-CME, 作为对比电极。

1.3 结构与电化学表征

样品的形貌和结构采用XRD (Oxford Phenix)和SEM (JSM-7001F)进行表征分析。电化学测试采用三电极体系: 饱和甘汞电极(Saturated Calomel Electrode, SCE)为参比电极, 铂片电极为对电极, 修饰电极为工作电极。线性扫描伏安法(Linear Sweep Voltammetry, LSV)、循环伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)、安培响应(Amperometric response,)和电化学交流阻抗(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)均使用电化学工作站(CHI 660E)进行测试。LSV和CV的测试范围为0~1.0 V, 扫描速率为5 mV/s。的测试时间为0~1300 s, 电位为0.6 V。EIS的测试频率为0.01 Hz~ 100 kHz。其中0.1 mol/L NaOH 溶液(pH=13)作为空白溶液, 含有4 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液作为检测溶液。

2 结果与讨论

2.1 CuO的结构及形貌分析

CuO和CME的制备过程(图1(a))中, Cu(NO3)2溶液滴加入尿素溶液中的速度和量对所获CuO颗粒具有重要的影响。控制滴入的顺序可保证溶液的碱性环境; 控制滴加速度可保证反应初期(晶核形成期)的碱性强弱; 控制两种溶液的配比可控制所得CuO前驱体的成分; 控制铜离子与配体之间的络合反应和程度可控制CuO前驱体的生长。所制备的CuO的晶体结构和形貌(图1(b)~(d))显示, 在2为32.475°、35.533°、38.723°、39.103°、46.492°、48.775°、51.453°、53.487°、58.330°、61.520°、65.851°、66.363°、68.265°、72.347°以及75.025°处出现了明显的衍射峰(图1(b)), 分别对应于单斜晶系结构CuO (PDF 89-5895)的(110)、(002)、(111)、(200)、(¯112)、(¯202)、(112)、(020)、(202)、(¯113)、(¯311)、(310)、(220)、(311)以及(¯222)晶面。图中衍射峰峰强较大, 表明所得CuO具有良好的结晶度[14]。另外, 通过Jade 6拟合精修, 得到其晶胞参数分别为:=0.46811 nm、=0.34246 nm和=0.51291 nm。从图1(c)~(d)中可以看出, 所制备的CuO表面光滑, 长度约0.5~1.0 μm, 直径约250~320 nm, 似米粒。制作成CME后, 可均匀地分散在电极表面(图1(d)), 仍然保持原有的米粒状结构, 且米粒状结构具有向外生长的趋势, 可为检测物质和修饰材料提供更多的接触位点。与Rajkumar等[15]加入强碱获得的片状结构CuO和Wang等[16]加入软模板制备得到的球状结构CuO相比, 无模板和无强碱方法的操作更加简单和更加环保, 且也能得到一定形貌的CuO颗粒。

2.2 葡萄糖的电催化氧化

图2(a)为不同CMEs在空白溶液和检测溶液中的CV曲线。基于Nafion-CME的CV曲线, 在空白溶液和检测溶液中, 均未出现明显的氧化峰, 说明单以Nafion修饰的CME对葡萄糖无响应, 它的出现不会干扰CuO的检测结果。而基于CuO/Nafion-CME的CV曲线, +0.6 V处出现了明显的氧化峰, 这归因于Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅲ)氧化还原电对参与葡萄糖的氧化过程, 具体如下方方程所示[11, 14]:

图1 CuO和CME的制备过程示意图(a)及CuO的XRD图谱(b)及其SEM照片(c)~(d)

图2(b)~(c)为CuO不同修饰量修饰电极在10.0 mmol/L K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6的0.5 mol/L KCl溶液中的EIS图谱。EIS图谱一般由高频区的半圆、中频区的45°直线(Warburg曲线)和低频区的斜线组成。其中高频区半圆与实轴的交点代表体系的欧姆电阻(s), 半圆的半径代表电荷转移电阻(ct), Warburg曲线代表离子的扩散能力, 斜线代表电极表面的粗糙程度和比表面积[17]。图2(b)~(c)中的7条EIS曲线均由高频区的半圆和低频区的斜线组成。只有0.15、0.25和0.35 mg CuO的EIS曲线具有明显的Warburg曲线, 说明离子扩散能力较好。其中s分别是: 76.6、77.3、81.8、87.6、189.8、241.4和395.0 Ω, 呈现不断上升趋势;ct分别是: 27.1、230.4、482.8、639.9、655.4、2741.1和3896.5 Ω, 也呈现随CuO修饰量的增加, 不断增大的趋势, 这归因于CuO的半导体性质[18]。斜率也呈上升趋势, 表明电极表面粗糙度增加和比表面积的扩大。同时, 从图2(d)的ct与CuO修饰量之间的关系曲线可知, 在CuO修饰量为0.35 mg之后,ct急剧增大。这对于修饰电极是不利的, 因此最佳修饰量为0.35 mg, 并且其ct远远低于文献报道的纳米颗粒状CuO[12]和纳米棒状CuO[19]。

图3为不同修饰量修饰电极在检测溶液中的LSV曲线(a)和所得峰电流、峰电位与CuO修饰量之间的关系图(b)。由图3可知, 随着CuO修饰量从0.05增加到0.35 mg, 氧化峰峰电流不断增大; 随着CuO修饰量继续从0.35增加到0.70 mg, 则出现不断减小的趋势。这一现象提示: CuO修饰量从0.05增加到0.35 mg时的峰电流增加, 是CuO催化位点增加的结果, 在超过0.35 mg CuO修饰量后, 峰电流的快速下降是ct增大的结果(图2(d))[20]。同时, 随着CuO修饰量从0.05增加到0.70 mg, 氧化峰峰电位呈现先降后升的趋势。考虑到氧化峰电位越小、过电位越小、检测性能就越好, 结合图2和图3的结果可知, 本研究米粒状CuO的最佳修饰量为0.35 mg,此时电极具有最大的氧化峰电流和较小的过电位。因此, 将0.35 mg米粒状CuO制备的CuO/Nafion- CME(命名为S电极)用于后续的葡萄糖检测。

图2 不同CMEs在空白溶液和检测溶液中的CV曲线(a); 不同修饰量CuO/Nafion-CMEs在10 mmol/L K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6的0.5 mol/L KCl溶液中的EIS图谱(b, c, 插图为其等效电路图)和电荷转移电阻(Rct)与CuO修饰量之间的关系曲线(d)

图3 不同修饰量CuO修饰电极在检测溶液中的LSV曲线(a)和所得峰电流、峰电位与CuO修饰量之间的关系(b)

图4为S电极在检测溶液中不同扫速下的CV曲线(a)以及所得氧化峰峰电流与扫速的关系曲线(b)。由图4(a)可知, 在5~250 mV/s范围内, 氧化峰峰电流随扫速的增大而增加, 且峰电位也随之正移。由图4(b)可知, 葡萄糖的峰电流与扫速之间存在良好的线性关系, 线性方程为:pa(mA)=0.20901+ 0.00154(mV/s),2=0.998, 表明在S电极表面的此反应是一个表面吸附控制的电化学过程, 与文献报道的饼干状CuO-CME的电化学行为一致[21]。

图4 S电极在检测溶液中不同扫速下的CV曲线(a)和所得氧化峰峰电流与扫速之间的关系曲线(b)

图5 S电极在空白溶液中连续加入葡萄糖的I-t曲线(a), 所得响应电流与葡萄糖浓度之间的关系曲线(b), 抗干扰测试实验(c)和稳定性测试实验(d)结果

2.3 安培响应法检测葡萄糖

图5(a)是S电极在空白溶液中加入不同量葡萄糖的曲线, 工作电位为0.6 V。由图可知, 向空白溶液中连续滴加入不同量的葡萄糖时, 随着葡萄糖浓度的增加, 氧化电流急剧增大, 并且该电极的电流在4 s内就能够达到稳定, 这是一个较快的响应过程, 说明该材料具有良好的电催化、传质和电子传递性能。图5(b)为所得响应电流(pa)与葡萄糖浓度()之间的关系曲线。由图可知, 随着葡萄糖浓度的增加, 响应电流也会增加, 并且在0.0357~2.361 mmol/L浓度范围内, 存在良好的线性关系, 其线性方程为:pa(mA)=-0.00187+0.05239(mmol/L),2=0.998。从曲线斜率求得, 灵敏度为950.36 μA·L/(mmol·cm2)。当信噪比为3时, 检出限为0.0647 μmol/L。将此电化学检测性能与其他基于水热法所制备CuO的无酶葡萄糖传感器进行比较, 结果见表1。本研究的S电极表现出了远优于强碱条件下所制备花状CuO (0.5 μmol/L)[5]、牡丹状CuO(0.5 μmol/L)[24]和在软模板条件下制备的三明治状CuO (1.0 μmol/L)[14]的检出限, 体现出无强碱、无模板制备出米粒状CuO的优势(表面和边缘上易产生催化活性位点)。同时, S电极还表现出远高于使用强碱制备的球状CuO(349.6 μA·L/(mmol·cm2))[8]、花状CuO(383μA·L/(mmol·cm2))[10]和使用软模板制备的球状CuO(26.59μA·L/(mmol·cm2))[22]的灵敏度。这些结果都证明, 经无强碱、无模板所制备的米粒状CuO可以用于葡萄糖的无酶检测, 且在某些方面表现出更好的性能。但同时, 由于此法所得的米粒状CuO为微米级, 堆积密度较高, 影响了其线性响应范围, 因此下一步研究将集中于降低CuO颗粒的尺寸, 以扩大检测线性响应范围, 扩大无强碱、无模板制备方法的应用范围。

表1 S电极与其他报道的无酶葡萄糖传感器检测性能的比较

表2 S电极对葡萄糖的回收率

2.4 选择性、稳定性和可靠性

为验证所研制S电极的选择性, 进行了常见葡萄糖干扰物质如抗坏血酸(AA)、蔗糖(Sucrose)、乳糖(Lactose)、果糖(Fructose)和多巴胺(DA)等的干扰测试[25]。在电位+0.6 V条件下, 向空白溶液中连续滴加2 mmol/L葡萄糖和0.5 mmol/L干扰物质, 进行干扰测试, 结果显示(图5(c)), 这些干扰物质对修饰电极响应葡萄糖的能力几乎不受影响, 证明所得S电极对葡萄糖具有良好的选择性。

室温条件下, S电极保存于干燥器中, 其稳定性实验每两天进行一次(图5(d)), 14 d后对葡萄糖的电化学响应能力可以保持在第一次测试数据的91.5%, 显著优于文献报道中的花状和椭球状CuO- CMEs[26-27], 显示了较好的稳定性。

为验证所研制电极的可靠性, 本研究进行了样品加标回收实验(表2)。该电极的葡萄糖回收率在96.50%~98.17%之间, 同时每个浓度5个平行测试得到的相对标准偏差(Relative Standard Deviation,)小于2.5%。因此, 所得S电极对葡萄糖的检测结果具有良好的可靠性。

3 结论

通过水热合成和原位分解相结合的方法, 以尿素和硝酸铜为原料, 通过严格控制尿素和硝酸铜的滴加顺序、用量与速度, 可在不使用软模板和强碱的条件下, 制备得到米粒状CuO颗粒。以此米粒状CuO与Nafion溶液混合, 制作成的CME, 可用于无酶葡萄糖的检测。得益于CuO的米粒状形貌和制作成CME时的外向生长模式, 此修饰电极对葡萄糖表现较好的检测性能: 在0.0357~2.361 mmol/L浓度范围内, 存在良好的线性关系, 其线性方程为:pa(mA)=-0.00187+0.05239(mmol/L),2=0.998。检出限为0.0647 μmol/L, 灵敏度是950.36 μA·L/(mmol·cm2),且具有良好的选择性、稳定性和可靠性。

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Rice-like CuO Chemically Modified Electrode: Preparation and Detection for Glucose

DENG Min, JIANG Qi, DUAN Zhi-Hong, LIU Qing-Qing, JIANG Li, LU Xiao-Ying

(Key Laboratory of Advanced Technologies of Materials (Ministry of Education of China), School of Life Science and Engineering, School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

A novel rice-like copper oxide (CuO) was synthesized without using soft template and alkali by hydrothermal anddecomposition methods. This rice-like CuO material was made into the chemically modified electrode (CME) with Nafion solution for non-enzymatic glucose sensing. Structure and morphology of the prepared material and electrode were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Electrochemical performances of the obtained electrodes were investigated by linear sweep voltammetry, cyclic voltammetry, amperometric response, and electrochemical impedance spectroscopy. Results show that morphology of the obtained CuO particle is similar to rice grain. And its length and diameter are between 0.5-1.0 μm and 250-320 nm, respectively. The CME with 0.35 mg rice-like CuO (with 0.22cm2electrode surface area) has an obvious current response for glucose with the linear range from 0.0357 to 2.361 mmol/L, the linear equationpa(mA)=-0.00187+0.05239(mmol/L) (2=0.998), the detection limit 0.0647 μmol/L, and the sensitivity 950.36 μA·L/(mmol·cm2). Therefore, the prepared CuO CME shows a promise selectivity and reliability for detecting glucose.

rice-like CuO; chemically modified electrode; glucose; detection

10.15541/jim20180200

江奇, 教授. E-mail: jiangqi66@163.com

O657

A

1000-324X(2019)02-0152-07

2018-04-27;

2018-05-28

国家自然科学基金(50907056, 51602266); 四川省重点研发计划(2017GZ0109); 四川省科技支撑项目(2016GZ0273, 2016GZ0275); 四川省学术与技术带头人培养基金 National Natural Science Foundation of China (50907056, 51602266); Sichuan Key Research and Development Program (2017GZ0109); Sichuan Science and Technology Support Projects (2016GZ0273, 2016GZ0275); Sichuan Academic and Technical Leaders Training Fund

邓敏(1991-), 女, 硕士研究生. E-mail: 3105a@swjtu.cn